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Método objetivo para evaluar la agudeza visual dinámica utilizando respuestas pupilares
Derechos reservados, Copyright © 2002: Sociedad Mexicana de Ingeniería Biomédica, AC
Número
Number 2
Septiembre
September 2002
Volumen
Volume23
edigraphic.com
ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN ORIGINAL
SOMIB
REVISTA MEXICANA DE INGENIERÍA BIOMÉDICA
Vol. XXIII, Núm. 2 Septiembre 2002 pp 109 - 115
Método objetivo para evaluar la
agudeza visual dinámica utilizando
respuestas pupilares
A. Zúñiga López,* E. Suaste Gómez*
* Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección Bioelectrónica. CINVESTAV-IPN, Av. IPN No. 2508, Zacatenco, México D.F., C.P. 0700, México.
[email protected], [email protected]
Artículo recibido: 15/mayo/2002 Artículo aceptado: 20/agosto/2002
RESUMEN
El propósito de este trabajo es evaluar la agudeza visual (AV) objeti-vamente con optotipos de la carta de Snellen en movimiento, para sujetos con corrección óptica y sin ella, haciendo uso de sus res-puestas pupilares. Para medir la AV dinámica se establecen las con-diciones de luminancia y contraste. Una vez controlada las condi-ciones del estudio se le presenta al sujeto un optotipo en movimiento, con una frecuencia de excitación senoidal inicial de 0.1 Hz y se au-menta gradualmente, hasta que el sujeto es incapaz de distinguir el carácter de la carta de Snellen. La AV dinámica objetiva se obtiene utilizando la técnica de video-oculografía con la que es posible de-tectar los cambios pupilares mediante el procesamiento de imáge-nes. Uno de los resultados obtenidos en este trabajo, es cuando se presenta el reflejo dilatador de la pupila que coincide con el mo-mento en que el sujeto dejó de percibir el optotipo lo que garantiza que este método sea considerado como objetivo para la evalua-ción de la AV dinámica. De igual forma, los resultados demuestran que la AV de un individuo para detectar, reconocer o resolver deta-lles de una imagen es diferente si el objeto y/o la imagen se en-cuentra en movimiento.
Palabras clave:
Agudeza visual, carta de Snellen, reflejo dilatador pupilar, video-ocu-lografía, luminancia y contraste.
ABSTRACT
indi-110
INTRODUCCIÓN
El límite de la visión espacial está íntimamente re-lacionado con el tamaño del detalle más peque-ño que un observador es capaz de detectar o re-conocer. Por lo que la medición de la AV nos permite conocer la capacidad del sistema visual de un individuo para detectar, reconocer o resol-ver detalles especiales en un optotipo de alto con-traste, con un buen nivel de iluminación1,2. Por otro
lado, se conocen varios tipos de respuestas pupi-lares que se suscitan en el ser humano, entre éstas están; el reflejo a la luz, el acomodamiento cau-sado con la visión cercana, el reflejo a la obscuri-dad, el ocasionado por el parpadeo y el reflejo dilatador asociado a reacciones sensoriales o emocionales3,4.
Por las características propias del estudio plan-teado, se descartan las respuestas pupilares vin-culadas con; el parpadeo, la obscuridad, el de la visión cercana (el optotipo se proyecta a más de 3 m), y el reflejo debido a la luz en virtud de que la luminancia de los optotipos se mantiene constan-te duranconstan-te la valoración. De ahí que, únicamenconstan-te el reflejo dilatador de la pupila es el más apropia-do como un indicaapropia-dor objetivo de la AV dinámica así como de la determinación de la frecuencia de apreciación nítida de las letras de Snellen. Lo an-terior se sustenta en que la respuesta o el reflejo dilatador de la pupila es generada por inhibición parasimpática o por estimulación simpática evo-cada sensorialmente o emocionalmente. Este re-flejo puede observarse aún sin excitabilidad ner-viosa en la pupila.
De esta forma, este método evalúa objetiva-mente la AV de sujetos que habitualobjetiva-mente requie-ren una corrección óptica haciéndolo con y sin anteojos, para ello se utilizan una serie de optoti-pos a diferentes frecuencias de excitación.
Para establecer la AV se le presentan al obser-vador, a una distancia fija, varios optotipos de alto contraste de distintos tamaños. El tamaño del op-totipo más pequeño, que el observador es capaz de detectar o reconocer, se toma como valor umbral y se suele expresar en minutos de arco.
Expresar el tamaño del objeto por el valor del án-gulo visual u en lugar de expresar el tamaño lineal (y) tiene la ventaja de que el umbral resulta inde-pendiente de la distancia.
En la práctica, los caracteres de Snellen se dise-ñan de manera que el menor detalle es 1/5 de su tamaño. Por esta razón a veces se define la AV como V = 5/u, donde u representa el tamaño del optotipo más pequeño detectado, y no el del más pequeño, que sería 5 veces menor
La agudeza también puede expresarse por la fracción de Snellen.
V = a/a0 (1)
donde a es una distancia estándar a la que se coloca la carta que contiene los optotipos de ta-maño progresivamente decreciente y a0 es la dis-tancia a la cual el carácter más pequeño recono-cido por el sujeto a la distancia estándar subtendería
u = 1 minuto (Figura 1).
Además, para este tipo de estudio es necesario conocer los factores que afectan directamente al optotipo y por lo tanto al estímulo utilizado, como son: luminancia y contraste.
Para la valoración de la AV, se hace uso de la video-oculografía (VOG), una ventaja es que es una técnica no invasiva basada en el procesamiento de imágenes de video, se aplica tanto al estudio e investigación de las manifestaciones de los
mo-vidual to detect, to recognize or to solve details of an image is differ-ent if the object or the image is in movemdiffer-ent.
Key Words:
Visual Acuity, Snellen Chart, Reflex Dilatation of Pupil, Video-Oculog-raphy, Luminance and Contrast.
Figura 1. Representación de la agudeza de Snellen como
la fracción a/ao. Un objeto de tamaño y que es reconoci-do por el observareconoci-dor a la distancia a de calibración de la carta subtendiende 1 minuto de arco cuando se sitúa a una distancia a0.
y y
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vimientos oculares así como de la dinámica de las respuestas pupilares5-6.
METODOLOGÍA
Los elementos utilizados en este trabajo son:
Sistema de proyección: está constituido
principal-mente por un proyector que es un armazón de aluminio a la cual se le adapta una lente de acer-camiento fotográfico y una guía de luz de fibra óptica; una pantalla curva (con un ángulo visual de 35º); y un sistema de control para un galvanó-metro de bobina móvil cuya finalidad es contro-lar la posición, el ángulo y la frecuencia de pro-yección, mediante un espejo que está instalado sobre la bobina móvil del galvanómetro que re-fleja el optotipo sobre la pantalla semicircular. Así mismo, se coloca el sensor de luminancia con la finalidad de verificar que no se presenten altera-ciones de las condialtera-ciones iniciales de iluminación del estudio. Lo anterior se ilustra esquemáticamen-te en la Figura 2.
Optotipos: se manufacturaron siguiendo la
nor-ma con que se hacen las letras de Snellen. Como van a ser proyectadas se calcularon de modo que el observador las distinguiera como una le-tra de la carta de Snellen a 3.05 metros de dis-tancia (Figura 3).
Condiciones del estudio
• Luminancia ambiental: 85 cd/m2
• Luminancia del área de proyección sin el opto-tipo: 570 cd/m2
• Luminancia de proyección con el optotipo: 172 cd/m2
• Contraste del optotipo: 0.5 • Luz ambiental: de color blanco
• Adaptación fotópica del ojo: con una luminan-cia menor a la presentada con el optotipo: 60 cd/m2
• Ángulo de proyección del optotipo: 200
La medición de la luminancia se hizo con un fotómetro LightGauge Coherent IL 1400A, el mar-gen de medición de luminancia es de 0.1 a 1.4x107
cd/m2, por medio de un sensor International Light
SEL033. Esta medición se hizo sobre un soporte of-talmológico mismo donde el paciente reposa su barbilla manteniendo fija la cabeza. La distancia del ojo del sujeto y la pantalla de proyección fue de 3.05 m
Asimismo, se coloca una cámara frente al ojo del sujeto para filmar la posición ocular y la res-puesta pupilar, simultáneamente se graba la fre-cuencia de estimulación en el canal de audio de la videograbadora, de alta fidelidad (Hi-Fi), Sony modelo SVO-160. La cámara se coloca frente al ojo contrario, del que está viendo la proyección, es decir va a ser un registro consensual (Figura 4). La cámara utilizada es una Sony CCD-TRV75 Hi 8, con opción de filmación nocturna (nigth shot); di-cha condición es fundamental para la realización de los estudios debido a que de esta manera se
Figura 2. Elementos básicos del sistema: A) pantalla
cur-va, B) optotipo, C) proyector (zoom), D) fibra óptica, E) es-pejo, F) galvanómetro, G) fuente luminosa, H) generador de onda senoidal, I) sensor de luminancia.
A
B
I C
E D
F
H G
E
Figura 3. Letra E de la carta de Snellen.
4u
112
obtiene una visión óptima de la pupila. Es decir, se evita iluminar al ojo con luz visible, lo que provoca-ría el reflejo pupilar a la luz y/o una contracción pupilar indeseable para el estudio.
El procesamiento de la imagen se realizó usan-do la tarjeta digitalizausan-dora de video Data Trasla-tion Frame Grabber de 512 x 512 x 8 bits de ima-gen de video usando 256 niveles de grises. A las imágenes obtenidas se les aplica un segmenta-do con la técnica de umbralizasegmenta-do, consideransegmenta-do que la pupila es la región más obscura de la ima-gen, de esta forma se obtiene una imagen con-trastada con dos niveles específicos de intensi-dad. Por último se hace una comparación entre cuadros de imágenes para determinar en qué cuadros no hay una traslación de la pupila. Aso-ciada con las imágenes de la pupila se encuen-tra una cuadrícula con cuadros de 1 mm2 con la
finalidad de referenciar la posición ocular y cali-brar las áreas pupilares.
Protocolo de estudio
A) Se coloca al sujeto de frente a la pantalla curva a una distancia de 3.05 m.
B) Se proyecta (manteniendo fija) una letra de prue-ba de tamaño 20/20 con una luminancia de 85 cd/m2 para asegurar las condiciones óptimas de
luminancia y contraste del optotipo. Dicho ca-rácter se debe ver con detalle y total nitidez. C) Inicia la prueba proyectando la letra de Snellen
de mayor tamaño iniciando con una frecuen-cia baja de 0.1Hz, la frecuenfrecuen-cia se aumentará lentamente en pasos de 0.1 Hz. Al ir modifican-do la frecuencia de excitación, el sujeto debe decir si distingue el carácter y de qué letra se trata. Se continuará aumentando la frecuencia hasta el momento en que el sujeto indique que
ya no puede distinguir la letra. La voz del sujeto se graba en el otro canal de audio de la video-grabadora, con la finalidad de corroborar con la detección del reflejo dilatador de la pupila. D) Se cambia el tamaño del optotipo y se repiten
las indicaciones del inciso anterior finalizando el estudio cuando el sujeto ya no es capaz de dis-tinguir el optotipo de menor tamaño.
E) Al sujeto se le hacen dos pruebas la primera sin corrección óptica y la otra con anteojos.
RESULTADOS
Los estudios se realizaron a cinco sujetos, con un rango de edad de 25 a 35 años. A estos sujetos se les determinó primeramente la AV sin corrección aérea, usando el método de proyección de la carta de Snellen estática. De esta manera se gra-dúa la agudeza del paciente con el patrón habi-tual, en relación con la línea más pequeña de le-tras que haya leído. Los resultados de la AV estática y el porcentaje de pérdida de la misma4 de los
cin-co sujetos se muestran en el Cuadro 1.
La Figura 5 muestra un cuadro de imagen ob-tenido al realizar la valoración de la AV, mediante la VOG con iluminación de luz infrarroja e inclu-yendo la cuadrícula de referencia con cuadros de 1 mm2. La resolución del sistema de medición
obtenida de la imagen de video se hizo filmando alambres magnetos de diferentes calibres a los cuales previamente se les midieron sus diámetros con un tornillo micrométrico Starrett (resolución de 2.5 µm), obteniéndose un límite mínimo de la lec-tura sobre la imagen procesada o resolución de 50 ± 2.5 mm.
Con el procesamiento de imágenes se observó que cuando el individuo ya no es capaz de distin-guir el optotipo el ojo deja de sedistin-guirlo, quedando inmóvil aproximadamente 66 ms al mismo tiempo se manifiesta el reflejo dilatador de la pupila, es decir la pupila se dilata un 20% ± 1 de su área
Figura 4. Sistema de video-oculografía con iluminación de
luz infrarroja para el registro consensual del ojo incluyendo la cuadrícula de calibración.
Cuadro 1. La AV evaluada con el método convencio-nal de la carta de Snellen, para el ojo derecho (OD) y el ojo izquierdo (OI) de los cinco sujetos bajo estudio.
Sujeto AV OD, % pérdida AV OI, % pérdida
1 20/30, 9 20/40, 16
2 20/80, 42 20/25, 4
3 20/30, 9 20/60, 30
4 20/30, 9 20/40, 16
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usando la carta de Snellen, no es igual a la AV en movimiento, evaluada por el método dinámico que se propone en este trabajo.
De la Figura 7, se aprecia que en la mayoría de los individuos estudiados la AV en forma dinámica disminuye sin corrección óptica, pero en el sujeto 2 mejora llegando a un 20/50, un resultado aso-ciado a que las correcciones ópticas de este suje-to no fueron las óptimas. Igualmente, se contem-pla que en la mayoría de los sujetos responden a frecuencias bajas, tres de ellos no sobrepasan 1.2 Hz, cuando no tienen puesta su corrección aérea. Sin embargo, cuando los sujetos de estudio tienen sus anteojos se incrementa la frecuencia de per-cepción, hasta 0.4 Hz. De las mismas gráficas, se observa que la AV aumenta cuando el individuo trae puesto su corrección óptica, en tres casos al-canzó hasta 20/25 (pérdida del 4%); así como la AV (sin corrección) empieza a disminuir en la ma-yoría de los sujetos cuando la frecuencia aumen-ta a más de 0.8 Hz, exhibiendo un ancho de ban-da de 0.8 a 1.2 Hz.
De los estudios realizados por el grupo de Stark8,
relacionados con la frecuencia característica de los movimientos rápidos (sacádicos) del ojo, cuan-do responde a estímulos visuales a diferentes fre-cuencias sin optotipos, se reportó un ancho de banda de 9 Hz para un ángulo de proyección de 200. Por lo anterior, y considerando que se tiene el
mismo ángulo de proyección; se concluye que el ancho de banda (1.2 Hz) de la frecuencia a la es-timulación obtenida de los sujetos bajo estudio de la AV dinámica; se ve disminuida dramáticamen-te hasta un 86 %, es decir, cuando al estímulo vi-sual está asociado a la percepción vivi-sual en mo-vimiento de una letra de Snellen.
De igual forma, Burr9 exhibe que proyectando
un estímulo visual de 10 de ancho, conformado
por una sucesión de barras verticales blancas y obscuras de igual tamaño. Se observa que la ve-pupilar que tenía antes de que se mantuviera
in-móvil. La Figura 5 exhibe un cuadro del video que se procesó antes de que el ojo se detuviera, la Fi-gura 6 presenta el reflejo dilatador pupilar con el ojo inmóvil. La AV se determinó en ese momento y la frecuencia de estimulación correspondiente se obtuvo por la grabación de ésta en el canal de audio de la videograbadora. Por lo anterior se con-cluye que este método de evaluación de la AV es un método objetivo.
El Cuadro 2 indica la AV obtenida del ojo dere-cho de cada sujeto con los optotipos en movimien-to. Se indica el porcentaje de pérdida de la AV en ambos casos.
La Figura 7 ilustra el comportamiento dinámico que se obtuvo de la AV (de los sujetos bajo estu-dio) con respecto a la frecuencia de estimulación sin corrección óptica y con ella.
DISCUSIONES Y CONCLUSIONES
Un aspecto importante de los resultados obtenidos, es que la AV estática de un individuo que usual-mente es evaluada con el método tradicional
Figura 5. Imagen obtenida con el sistema de VOG, con
iluminación infrarroja y la cuadrícula de calibración de 1 mm2. Diámetro de la pupila de 5 mm.
Figura 6. Imagen obtenida con el sistema de
video-ocu-lografía, con iluminación infrarroja y la cuadrícula de cali-bración, exhibiéndose el reflejo dilatador de la pupila. Diá-metro de la pupila de 5.5 mm.
Cuadro 2. AV del ojo derecho sin corrección óptica (SC) y con corrección (CC), medida con optotipos en movi-miento. Indicando el porcentaje de pérdida de la AV para cada caso.
Sujeto SC,% pérdida CC, % pérdida
1 20/40, 16 20/25, 4
2 20/50, 24 20/30, 9
3 20/50, 24 20/25, 4
4 20/40, 16 20/25, 4
114
locidad de su agudeza correspondiente al valor máximo de sensibilidad al contraste es de 80/s a
120/s, cuando alternan su posición de las barras
una sola vez. Aplicando este método, conside-rando un ángulo de proyección de 200 y con un
ancho del carácter de Snellen de 10 se
obtuvie-ron frecuencias para los picos máximos dentro de un rango de 0.4 a 0.6 Hz. Comparando estos re-sultados con el ancho de banda obtenido en el estudio aquí descrito, se ve una diferencia favo-rable para la AV de 0.6 Hz, debido principalmen-te a que no se alprincipalmen-terna el contrasprincipalmen-te de la letra de Snellen. Lo anterior, da más oportunidad a que el sujeto mantenga más tiempo la percepción de la imagen del optotipo.
Figura 7. Comportamiento de la AV de los cinco sujetos
bajo estudio con y sin su corrección óptica con respecto a la frecuencia de estimulación de los optotipos.
Sujeto 1 20/20 20/30 20/40 20/50 60 20/70 80 90 20/100 110 120 130 140 150 16 170 180 190 20/200 Agudeza visual 0
Con corrección Sin corrección
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Frecuencia (Hz) Sujeto 2 20/20 20/30 20/40 20/50 60 20/70 80 90 20/100 110 120 130 140 150 16 170 180 190 20/200 Agudeza visual 0
Con corrección Sin corrección
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Frecuencia (Hz) Sujeto 3 20/20 20/30 20/40 20/50 60 20/70 80 90 20/100 110 120 130 140 150 16 170 180 190 20/200 Agudeza visual 0
Con corrección Sin corrección
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Frecuencia (Hz) Sujeto 4 20/20 20/30 20/40 20/50 60 20/70 80 90 20/100 110 120 130 140 150 16 170 180 190 20/200 Agudeza visual 0
Con corrección Sin corrección
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Frecuencia (Hz) Sujeto 5 20/20 20/30 20/40 20/50 60 20/70 80 90 20/100 110 120 130 140 150 16 170 180 190 20/200 Agudeza visual 0
Con corrección Sin corrección
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
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Aplicando este método, se puede evaluar pa-tologías neuro-oftalmológicas que involucren la movilidad ocular y la percepción visual. Tal es el caso de la nistagmo, estrabismo, etcétera10,11.
Se puede concluir que la frecuencia máxima con la que un individuo reconoce a detalle una imagen, disminuye conforme decrece el tamaño de la imagen.
Otro aspecto a concluir según los resultados obtenidos, es que la AV en movimiento y AV estáti-ca no es igual. Lo que lleva a considerar varias si-tuaciones, como es el caso de la capacidad del sistema visual que posee el ser humano para de-tectar, reconocer o resolver detalles de una ima-gen y/o objetos no es igual si la imaima-gen se encuen-tra en movimiento a una determinada frecuencia. O si ésta permanece estática en un punto. Es im-portante notar que en un sinnúmero de actividades que realizan ciertas personas dentro de su trabajo exige que tengan una buena AV en movimiento; entre éstos se puede mencionar a los choferes, pi-lotos, agentes de tránsito, evaluadores de control de calidad como es el caso de la verificación de productos sobre bandas transportadoras, a los lec-tores de exhibidores de texto y/o imágenes en movimiento, etc. Para estos casos sería recomen-dable utilizar el método aquí planteado de la AV dinámica con la finalidad de contribuir al mejor desarrollo de sus actividades.
La principal aportación de este método objeti-vo para cuantificar la AV es haber demostrado que el reflejo dilatador pupilar es un determinante
indi-cador del instante en que el sujeto deja de visuali-zar nítidamente el carácter de la carta de Snellen en movimiento.
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